Меню

Скорость света является максимально возможной



Почему скорость света предельная?

20 век стал веком невиданных открытий и совершений. Одним из таких открытий стало изобретение специальной и общей теорий относительности (СТО и ОТО), довольно точно объяснивших многие физические явления. Однако теория относительности тяжело воспринимается, поскольку противоречит здравому смыслу. Например, двигаясь со скоростью света, длина тела будет уменьшаться в направлении движения, время для тела полностью остановится, а так же оно будет иметь бесконечную массу. Именно поэтому, для тел, что имеют массу покоя, скорость света является не достижимым барьером. Но является ли это таковым на самом деле? Давайте порассуждаем.

В настоящее время, удалось разогнать протоны при помощи ускорителей частиц до скоростей очень близких к световым, буквально до скорости света отделяют лишь сотые доли процента. При этом, чтобы разогнать ещё сильнее протон, придётся приложить многократно больше энергии, и даже при этом не удастся разогнать его до ровно световой скорости. Что подтверждает теорию относительности. Но, почему именно скорость света является предельной? Потому, что скорость света – это самая быстрая из известных человеку скоростей. Сами протоны в некотором роде разгоняются благодаря свету, то есть электромагнитных волн, которые образуют электромагнитное поле движущиеся со скоростью света. Это поле толкает протон вперед. Вот простая аналогия: вы на машине на идеально ровной дороге толкаете тележку, ваша предельная скорость равняется 40 км/час. Значит, и у тележки 40 км/час будет предельной скоростью. Большую скорость она не сможет приобрести. А теперь представьте, что у вашей машины не хватает сил разогнать её до 40 км/час, тележка очень большая и тяжёлая. Тогда вы зовёте двух своих друзей на таких же машинах, с такой же максимальной скоростью как у вас. Вместе вам удаётся разогнать тележку до 39,99 км/час. Затем вы зовёте ещё десяток своих друзей с такими же машинами, скорость тележки уже 39,9999. Вы зовёте ещё и ещё друзей, но скорость тележки никогда не доходит до 40 км/час. Вот смысл разгона протона (или любой другой заряженной частицы) в электромагнитном поле. Просто не хватает сил, передать всю кинетическую энергию электромагнитного поля частице. Всегда есть потери. Именно поэтому, скорость света является предельной, именно поэтому требуется бесконечное число кинетической энергии электромагнитного поля, что бы добиться скорости света. Однако, здесь рассматривалось лишь толкание. Но ведь двигаться, возможно, не только благодаря толканию, но и благодаря собственной энергии. Как наша машина, двигается благодаря сгоранию топлива, что двигает колёса. Или ракета, которая движется за счёт мощной струи плазмы. Давайте поподробнее рассмотрим этот случай.

У нас имеется ракета, скорость струи пламени у неё пусть будет равно 5 км/с. Означает, ли это, что скорость ракеты будет ограничена лишь 5 км/с? Нет, и всё благодаря ускорению! В начальный момент времени, скорость ракеты равна нулю. Она включает двигатель, вырывается пламя на 1 секунду, затем затухает. Её скорость становится равной 5 км/с. Через секунду пламя вновь разгорается, и вновь через секунду тухнет. Скорость ракеты была 5 км/с, но после второго запуска стала уже равной 10 км/с. Почему так получилось? Потому, что ракета имела скорость с предыдущего запуска двигателя, эта скорость сложилась со скоростью нового запуска. И так можно наращивать скорость до тех пор, пока не иссякнет топливо у ракеты. В данном случаи не может быть предел скорости. Он ограничен лишь источником энергии или количеством топлива. Проблема в том, что топливо имеет массу, для того, чтобы поддерживать ускорение, нужно много топливо, которое нужно тоже перемещать. Используя формулу Циалковского, можно рассчитать, что для достижения скорости света отношение полезной нагрузки + конструкция аппарата + топливо к полезной нагрузки + конструкция составит 2,71^3000 для самого мощного существующего электрического ракетного двигателя. Это фантастически много! Для того, чтобы разогнать одну тонну потребуется масса топлива во много раз превышающую массу Солнца. Поэтому, в настоящее время невозможно двигаться быстрее скорости света. Нужен практически неиссякаемый источник энергии, либо сверхмощное топливо, либо принципиально новый тип двигателя. Возможно в будущем, они будут созданы или открыты. А пока, что можно лишь мечтать о перемещении со скоростью света, либо выше.

Читайте также:  Лучи света во флеш

Всё выше написанное касается скорости света в вакууме. Если же свет перемещается в какой-либо среде, его скорость падает, становится меньше предельной. Существует эффект Вавилова-Черенкова — это свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Очень красивое явление, наблюдал его своими глазами.

Источник

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Наверное, всем – даже людям, далеким от физики, – известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме.

Она обозначается буквой c и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с.

Скорость света в вакууме – одна из фундаментальных физических констант.

Невозможность достижения скоростей, превышающих с, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна.

Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с.

Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.

Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света. Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел?

Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира – закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину.

Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с, последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения.

Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во все более и более ранние моменты времени.

Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем – испущенные позавчера, потом – неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребенка.

То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами.

Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно наглядно демонстрирует, что движение со сверхсветовой скоростью приводит к невозможной в нашем мире ситуации.

Однако природа поставила еще более жесткие условия: недостижимо движение не только со сверхсветовой скоростью, но и со скоростью, равной скорости света, – к ней можно только приближаться.

Из теории относительности следует, что при увеличении скорости движения возникают три обстоятельства: возрастает масса движущегося объекта, уменьшается его размер в направлении движения и замедляется течение времени на этом объекте (с точки зрения внешнего «покоящегося» наблюдателя).

При обычных скоростях эти изменения ничтожно малы, но по мере приближения к скорости света они становятся все ощутимее, а в пределе – при скорости, равной с, – масса становится бесконечно большой, объект полностью теряет размер в направлении движения и время на нем останавливается.

Поэтому никакое материальное тело не может достичь скорости света. Такой скоростью обладает только сам свет! (А также «всепроникающая» частица – нейтрино, которая, как и фотон, не может двигаться со скоростью, меньшей с.)

Читайте также:  Потолок с двойным светом

Теперь о скорости передачи сигнала. Здесь уместно воспользоваться представлением света в виде электромагнитных волн.

Что такое сигнал? Это некая информация, подлежащая передаче.

Идеальная электромагнитная волна – это бесконечная синусоида строго одной частоты, и она не может нести никакой информации, ибо каждый период такой синусоиды в точности повторяет предыдущий.

Скорость перемещения фазы cинусоидальной волны – так называемая фазовая скорость – может в среде при определенных условиях превышать скорость света в вакууме.

Здесь ограничения отсутствуют, так как фазовая скорость не является скоростью сигнала – его еще нет. Чтобы создать сигнал, надо сделать какую-то «отметку» на волне. Такой отметкой может быть, например, изменение любого из параметров волны – амплитуды, частоты или начальной фазы. Но как только отметка сделана, волна теряет синусоидальность. Она становится модулированной, состоящей из набора простых синусоидальных волн с различными амплитудами, частотами и начальными фазами – группы волн.

Скорость перемещения отметки в модулированной волне и является скоростью сигнала. При распространении в среде эта скорость обычно совпадает с групповой скоростью, характеризующей распространение вышеупомянутой группы волн как целого (см. «Наука и жизнь» № 2, 2000 г.). При обычных условиях групповая скорость, а следовательно, и скорость сигнала меньше скорости света в вакууме. Здесь не случайно употреблено выражение «при обычных условиях», ибо в некоторых случаях и групповая скорость может превышать с или вообще терять смысл, но тогда она не относится к распространению сигнала. В СТО устанавливается, что невозможна передача сигнала со скоростью, большей с.

Почему это так? Потому, что препятствием для передачи любого сигнала со скоростью больше с служит все тот же закон причинности.

Представим себе такую ситуацию. В некоторой точке А световая вспышка (событие 1) включает устройство, посылающее некий радиосигнал, а в удаленной точке В под действием этого радиосигнала происходит взрыв (событие 2). Понятно, что событие 1 (вспышка) – причина, а событие 2 (взрыв) – следствие, наступающее позже причины. Но если бы радиосигнал распространялся со сверхсветовой скоростью, наблюдатель вблизи точки В увидел бы сначала взрыв, а уже потом – дошедшую до него со скоростью с световую вспышку, причину взрыва. Другими словами, для этого наблюдателя событие 2 совершилось бы раньше, чем событие 1, то есть следствие опередило бы причину.

Уместно подчеркнуть, что «сверхсветовой запрет» теории относительности накладывается только на движение материальных тел и передачу сигналов.

Во многих ситуациях возможно движение с любой скоростью, но это будет движение не материальных объектов и не сигналов. Например, если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несет никакой информации о точке А.

Казалось бы, вопрос о сверхсветовых скоростях решен. Но в 60-х годах двадцатого столетия физиками-теоретиками была выдвинута гипотеза существования сверхсветовых частиц, названных тахионами. Это очень странные частицы: теоретически они возможны, но во избежание противоречий с теорией относительности им пришлось приписать мнимую массу покоя. Физически мнимая масса не существует, это чисто математическая абстракция. Однако это не вызвало особой тревоги, поскольку тахионы не могут находиться в покое – они существуют (если существуют!) только при скоростях, превышающих скорость света в вакууме, а в этом случае масса тахиона оказывается вещественной. Здесь есть некоторая аналогия с фотонами: у фотона масса покоя равна нулю, но это просто означает, что фотон не может находиться в покое – свет нельзя остановить.

Наиболее сложным оказалось, как и следовало ожидать, примирить тахионную гипотезу с законом причинности. Попытки, предпринимавшиеся в этом направлении, хотя и были достаточно остроумными, не привели к явному успеху. Экспериментально зарегистрировать тахионы также никому не удалось. В итоге интерес к тахионам как к сверхсветовым элементарным частицам постепенно сошел на нет.

Читайте также:  Графика с именем света

Работы последних лет показывают, что при определенных условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью? Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. Тем не менее некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстрировать преодоление светового барьера именно для сигналов.

Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого математического обоснования (базирующегося, скажем, на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля) невозможности передачи сигналов со скоростью больше с. Такая невозможность в СТО устанавливается, можно сказать, чисто арифметически, исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности.

Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае «. мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Но, хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит в себе, по-моему, никаких противоречий, он все же настолько противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения V > с представляется в достаточной степени доказанной».

Принцип причинности – вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой передачи сигналов.

И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов, как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить, ибо такова природа нашего мира.

Источник

Физика. 11 класс

Теория относительности

Постулаты специальной теории относительности (СТО)

Необходимо запомнить

Теория относительности – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов. В теории относительности используется понятие «событие».

В основу теории А. Эйнштейна были заложены два постулата:

1. Все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.

2. Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта.

Скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью с=$3 \cdot10^8$ м/с.

Если проводить сравнение расстояний и показаний часов в разных системах отсчёта с помощью световых сигналов, то можно утверждать, что расстояние между двумя точками, размеры, масса тела и длительность интервала времени между двумя событиями зависят от выбора системы отсчёта:

$c^2 \tau^2=c^2 \tau^2- \upsilon^2 \tau^2$.

Инвариант=$c^2\tau^2- \upsilon^2 \tau^2$.

Линейный размер, движущегося тела:

Закон сложения скоростей:

Зависимость массы от скорости:

При скоростях много меньших, чем скорость света, закон сложения скоростей переходит в классический, а длина тела, масса и интервал времени становятся одинаковыми в неподвижной и движущейся системах отсчёта.

Название элемента: Разбор событий на космическом корабле

Мюоны

Наряду с протонами и нейтронами в природе существуют мюоны – элементарные частицы. Мюоны могут образовываться в атмосфере Земли. Но мюоны не стабильны и быстро распадаются, превращаясь в другие элементарные частицы. В лаборатории, где мюоны практически покоятся, среднее время их жизни $\tau_0 = 2 \cdot 10^<-6>с$. Вычисляя скорость и другие параметры мюонов, физики обнаружили, что мюоны в атмосфере Земли (без распада) могут пройти расстояние 6 км за время $\Delta \tau = 2 \cdot10^<-5>с$. Это означает, что время жизни движущегося мюона в системе «Земля» в 10 раз больше собственного времени жизни $\tau_0$.

На этом удивительном феномене замедления времени основан знаменитый мысленный эксперимент, так называемый парадокс близнецов. Представим себе, что один из двух близнецов отправляется в длительное путешествие на космическом корабле и уносится от Земли на чрезвычайно высокой скорости. Через десять лет он поворачивает и возвращается обратно. Таким образом общее время в пути составляет 20 лет. Обнаруживается, что оставшийся на Земле близнец успел постареть, а вернувшийся из полёта близнец, выглядит намного моложе. На сколько лет путешественник будет моложе зависит от скорости полёта.

Источник